В электронике защелкивание — это тип короткого замыкания , которое может возникнуть в интегральной схеме (ИС). Более конкретно, это непреднамеренное создание низкоомного пути между шинами питания схемы MOSFET , вызывающее паразитную структуру , которая нарушает правильное функционирование детали, возможно, даже приводя к ее разрушению из-за перегрузки по току . Для исправления этой ситуации требуется цикл питания .
Паразитная структура обычно эквивалентна тиристору (или SCR ), структуре PNPN , которая действует как PNP и NPN транзистор, сложенные рядом друг с другом. Во время защелкивания, когда один из транзисторов проводит, другой тоже начинает проводить. Они оба поддерживают друг друга в насыщении до тех пор, пока структура смещена в прямом направлении и через нее протекает некоторый ток — что обычно означает до отключения питания. Паразитная структура SCR формируется как часть пары транзисторов PMOS и NMOS тотемного полюса на выходных драйверах затворов.
Защелкивание не обязательно происходит между шинами питания — оно может произойти в любом месте, где существует требуемая паразитная структура. Распространенной причиной защелкивания является положительный или отрицательный всплеск напряжения на входном или выходном контакте цифровой микросхемы, который превышает напряжение шины более чем на падение напряжения на диоде. Другой причиной является напряжение питания, превышающее абсолютный максимальный номинал, часто из-за кратковременного всплеска в источнике питания. Это приводит к пробою внутреннего соединения . Это часто происходит в схемах, которые используют несколько напряжений питания, которые не появляются в требуемой последовательности при включении питания, что приводит к тому, что напряжения на линиях данных превышают входной номинал деталей, которые еще не достигли номинального напряжения питания. Защелкивание также может быть вызвано событием электростатического разряда .
Другой распространенной причиной защелкивания является ионизирующее излучение , что делает это существенной проблемой в электронных продуктах, разработанных для космических (или очень высокогорных) применений. Защелкивание с одним событием — это защелкивание, вызванное сбоем из-за одного события , обычно тяжелых ионов или протонов из космических лучей или солнечных вспышек. [1] [2] Защелкивание с одним событием (SEL) можно полностью устранить с помощью нескольких производственных технологий, как часть радиационной стойкости . [3]
Мощные микроволновые помехи также могут вызывать защелкивание. [4]
Как интегральные схемы КМОП, так и интегральные схемы ТТЛ более подвержены защелкиванию при более высоких температурах. [5]
Все КМОП-микросхемы имеют пути защелкивания, но существует несколько методов проектирования, которые снижают восприимчивость к защелкиванию. [6] [7] [8]
В технологии CMOS существует ряд внутренних биполярных транзисторов с переходом. В процессах CMOS эти транзисторы могут создавать проблемы, когда сочетание n-well/p-well и подложки приводит к образованию паразитных npnp-структур. Запуск этих тиристороподобных устройств приводит к замыканию линий Vdd и GND, что обычно приводит к разрушению чипа или системному сбою, который можно устранить только отключением питания. [9]
Рассмотрим структуру n-well на первом рисунке. Структура npnp образована источником NMOS, p-подложкой, n-well и источником PMOS. Также показан эквивалент схемы. Когда один из двух биполярных транзисторов получает прямое смещение (из-за тока, протекающего через яму или подложку), он питает базу другого транзистора. Эта положительная обратная связь увеличивает ток до тех пор, пока схема не выйдет из строя или не сгорит.
Изобретение ныне стандартной в отрасли технологии предотвращения защелкивания КМОП-структур было сделано компанией Hughes Aircraft в 1977 году. [10]
Можно спроектировать чипы, устойчивые к защелкиванию, добавив слой изолирующего оксида (называемый траншеей ) , который окружает как NMOS, так и PMOS транзисторы. Это разрушает паразитную структуру кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) между этими транзисторами. Такие детали важны в случаях, когда невозможно гарантировать надлежащую последовательность питания и сигналов, например, в устройствах с горячей заменой .
Устройства, изготовленные в слаболегированных эпитаксиальных слоях, выращенных на сильнолегированных подложках, также менее восприимчивы к защелкиванию. Сильнолегированный слой действует как сток тока, где избыточные неосновные носители могут быстро рекомбинировать. [11]
Большинство устройств на основе кремния на изоляторе изначально устойчивы к защелкиванию. [12] Защелкивание — это соединение с низким сопротивлением между ванной [ требуется разъяснение ] и шинами электропитания.
Также, чтобы избежать защелки, для каждого транзистора ставится отдельное соединение отвода. Но это увеличит размер устройства, поэтому фабрики дают минимальное пространство для установки отвода, например, 10 мкм в технологии 130 нм. [ необходимо уточнение ]